3.3. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Радиоактивностью называют способность определенных атомных ядер к самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием одной или нескольких заряженных частиц и фотонов. Самопроизвольно распадающиеся ядра называются радиоактивными в отличие от не обладающих такой способностью – стабильных. Радиоактивный распад ядер атомов приводит к образованию новых элементов, отличающихся друг от друга и от исходных элементов по миграционным свойствам. В земной коре известно 17 долгоживущих радиоактивных изотопов. Из них наиболее распространен ⁸⁷Rb, со средним содержанием в литосфере 4,16 · 10^-3% (кларк элемента Rb равняется 1,5·10^-2%).

70

За ним, по мере уменьшения среднего содержания, идут изотопы ²³²Тh (1,3·10^-3%), ⁴⁰К (3·10^-4%), ²³⁸U (2,5·10^-4%). Природные промышленные рудные скопления образуют только ²³⁸U и ²³²Тh.

В результате радиоактивного распада, во-первых, образуются новые радиоактивные изотопы, получившие название промежуточных продуктов. Так, при распаде ²³⁸U получаются радиоактивные изотопы Pa, Th, Ra, Rn, At, Bi и др. Во-вторых, образуются стабильные изотопы. Их называют конечными продуктами распада. В рядах природного распада ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th конечными продуктами являются радиоактивные изотопы свинца (²⁰⁶Рb, ²⁰⁷Рb, ²⁰⁸Рb) и гелия (⁴Не). Процессы радиоактивного распада влияют на многие химические элементы и их соединения, образующие различные формы нахождения, в том числе и биогенную.

Отмечая громадный эффект, производимый ничтожной массой вещества при радиоактивных процессах, В.И. Вернадский еще в 1910 г. указывал на огромное влияние его на течение многих геологических процессов и предсказывал возникновение новой науки – радиогеологии. Тогда же он предсказал влияние этого явления на развитие общества и государственной жизни.

В биосфере радиоактивное излучение приводит к взаимодействию частиц или фотонов с атомами химических элементов, образующих разнообразные формы нахождения. Течение этого процесса зависит, во-первых, от массы, заряда и энергии проникающих частиц. Во-вторых, он (процесс) определяется плотностью, средним ионизационным потенциалом облучаемого вещества и атомным номером составляющих его элементов (Н.А. Титаева, 1992).

Тяжелые заряженные частицы (α-частицы – ядра гелия, протоны, дейтроны и т.д.), тормозясь в результате взаимодействия с электронными оболочками атомов облучаемого вещества, ионизируют и возбуждают эти атомы и образуемые ими молекулы.

Электроны ионизирующих излучений (β-частицы) испытывают рассеяние на электронах и ядрах облучаемого вещества. При этом они теряют свою энергию, ионизируют атомы и вызывают тормозное рентгеновское (электромагнитное) излучение.

Фотоны гамма- и рентгеновского излучения поглощаются за счет трех процессов в облучаемом веществе: фотоэлектрического эффекта, рассеяния на электронах и образования пар электрон-позитрон. Рассматриваемое явление сопровождается ионизацией.

71

Поток нейтронов взаимодействует с ядрами атомов, вызывая их деление и ядерные реакции.

Ядра отдачи (остатки атомов, образующиеся в результате радиоактивного распада) вызывают ионизацию и возбуждение молекул. При постепенном охлаждении могут вступать в обычные химические реакции.

В связи с развитием атомной промышленности последствия радиоактивного излучения приобретают все большее значение. Рассмотрим некоторые конкретные примеры действия природного радиоактивного излучения. К важнейшим из них относится радиолиз воды, представляющий собой ее разложение на Н и О. В.И. Вернадский писал: "По-видимому, радиохимические изменения играют очень большую роль в структуре земной коры. Особенно важен процесс, связанный с распадением молекул воды, всюду проникающей земную кору, всю ее твердую материю...".

Образовавшийся атомарный водород даже при комнатной температуре восстанавливает многие оксиды металлов, непосредственно соединяется с серой, азотом, фтором. Кислород, как известно, является сильным окислителем. Считается, что за счет О, выделившегося при радиолизе, происходит существенное окисление нефти, идет гематитизация (образование Fe₂O₃) горных пород. Кроме атомов кислорода и водорода, радиоактивное облучение воды приводит к образованию перекиси водорода (Н₂0₂), – слабой двухосновной кислоты, а также гидроксильных групп (ОН^-) и гидроксония (Н₃О⁺).

Таким образом, в результате радиолиза в природных водах возникает резко неравновесная обстановка с сильными окислителями и восстановителями. При этом в подземных водах образуются атомарные Cl, Br, J, а растворенный в них азот образует нитриты, нитраты, аммиак. В залежах калийных солей накапливается свободный водород.

Наибольший выход продуктов радиолиза происходит при высокой плотности ионизации. Обычно она связана с потоком α-частиц. По данным И.Ф. Вовка, в подземных водах в районах урановых месторождений за сотни и тысячи лет может скопиться значительное количество продуктов радиолиза. Таким образом, радиолиз воды и связанные с ним процессы (в первую очередь изменения окислительно-восстановительных условий) относятся к важным внешним факторам миграции химических элементов.

Радиолиз органических соединений приводит к разрыву связей между углеродом (С-С), углеродом и водородом (С-Н), а также углеродом и функциональными

72

группами. Обязательными продуктами этого процесса являются водород и метан. Сам метан (СН₄) под действием потока α-частиц полимеризуется, образуя сложные углеводороды. Продуктами облучения природных залежей газа оказываются СО₂ и такие токсичные вещества, как СО, формальдегид, синильная кислота. Из бензола образуется фенол. Радиолиз органических соединений – процесс, достаточно часто встречающийся в биосфере. Расчеты показывают, что, например, в палеозойских отложениях Днепрово-Донецкой впадины преобразовано 5% органических веществ.

Радиационные процессы в минеральных образованиях связаны с ионизацией и возбуждением молекул, нарушающих структуру кристаллов, т.е. способствующих образованию дислокаций и вакантных мест внедрения. На локальных участках, охватывающих всего до 6000 атомов, проникающие частицы вызывают плавление минералов. В сумме под воздействием излучения увеличивается скорость растворения минералов, возрастает их способность к адсорбции и образованию коллоидов. Все это непосредственно влияет на миграцию элементов.

Воздействие ионизирующего излучения на живые организмы также обусловлено ионизацией и возбуждением атомов. В зависимости от дозы и длительности облучения выделяются острые поражения при однократном облучении дозами, превышающими 0,5 Зв (1 зиверт = 100 бэр) и хронические. Последние связаны с длительным облучением дозами менее 0,5 Зв.

Острые поражения сопровождаются лучевой болезнью, приводящей к смертельному исходу. При хронических поражениях также может возникнуть лучевая болезнь либо поражение отдельных частей (органов) организма. Выделяются особо отдаленные эффекты, представляющие собой поражения, проявившиеся через продолжительное время после облучения. Поражение определяется суммарной накопленной дозой, независимо от того, за какой срок она получена: за сутки или десятилетия.

Отдельные изменения, происходящие в организме в результате воздействия малых доз излучений, получили название стохастических (вероятностных). По Н.А. Титаевой, среди них можно выделять соматические – злокачественные опухоли и генетические – врожденные уродства и нарушения, передаваемые по наследству. Сейчас считается, что при длительном облучении людей до 0,5 Зв в год соматические изменения не начинаются.

73

К настоящему времени уже накоплен материал об изменениях сообществ организмов в ландшафтах, подверженных ионизирующему излучению. Основной особенностью этих изменений является различная чувствительность видов к облучению (P.M. Алексахин, 1982). Так, папоротники, мхи, лишайники, почвенные грибы выдерживают дозы до 10000 Гр (1 грей = 1 Дж/кг = 100 рад), а древесная растительность, особенно хвойные, погибает при дозе 12 Гр.

Среди животных большей устойчивостью к облучению обладают насекомые. Мухи-дрозофиллы выдерживают дозы до 850 Гр, важнейшие сельскохозяйственные животные – от 3 до 15 Гр, птицы – до 25...30 Гр. (Как бы бездумное использование ядерной энергии не сделало Землю планетой насекомых.)

Таким образом, процесс радиоактивного распада сопровождал на Земле все развитие жизни. Однако дозы облучения в разных частях поверхности планеты колебались в очень широких пределах. Об этом свидетельствуют большие величины (4250 и 3000) значений абсолютного разброса урана и тория – двух элементов, образующих промышленные рудные скопления в магматических породах. При столь большом абсолютном разбросе подавляющая часть земной поверхности подвергалась сравнительно слабому облучению, а потому к большим дозам организмы в процессе эволюции живого вещества не привыкли.

В то же время естественная (природная) концентрация радиоактивных элементов в горных породах ряда регионов повышена настолько, что их нельзя использовать при строительстве и в качестве удобрений. Основные сведения о таких регионах и породах сведены Л.П. Рихвановым (1997) в табл. 3.7.

Высокие природные концентрации радиоактивных элементов наблюдаются в минеральных водах Туркмении, Алтая, Забайкалья, Закавказья. Высокой концентрацией радиоактивных элементов отличаются пластовые воды ряда нефтегазоносных районов России (Ухтинского, Западно-Сибирского, Ставропольского) и других стран. В повышенных количествах содержатся радиоактивные элементы в угле многих месторождений.

По значению дозы природного гамма-излучения на территории России Л.П. Рихвановым были выделены (1997) четыре зоны природной радиации: пониженной (до 600 мкЗв/год), умеренной (600...900 мкЗв/год), повышенной (900...1250 мкЗв/год) и высокой (более 1250 мкЗв/год).

74

К зонам повышенной радиации отнесены степные ландшафты Предкавказья и горно-таежные ландшафты Восточного Забайкалья и Дальнего Востока. Повышенная радиация в этих регионах обусловливается горным рельефом (1000... 1400 м н.у. моря), т.е. усиленным воздействием космического излучения (около 400 мкЗв/год), а также распространением горных пород с повышенным содержанием радиоактивных элементов.

75

К зонам с высокой радиацией, составляющим не более 1,4% площади России, относятся отдельные районы Кавказа, Горного Алтая, Кольского полуострова, хребтов Акиткан, Станового, Сунтар-Хаята, нагорий Патомского, Алданского, Анабарского и Витимского плато. Радиационная обстановка в этих районах определяется развитием специфических горных пород; в высокогорных районах заметный вклад в интенсивность радиации вносит космическое излучение.

В последние годы появилось много информации о радоне (²²²Rn) как о радиационном факторе окружающей среды. Радон – газ без цвета и запаха, в 7,5 раза тяжелее атмосферного воздуха; образуется в процессе распада естественного урана ²³⁸U). Период полураспада радона равен 3,82 суток. В некоторых странах (например, в Швеции) построены специальные карты радонового заражения, которые используются при строительстве зданий. Основные источники природного радона – горные породы, почвы, воды, природный газ.

Обследование жилых помещений в Финляндии показало, что в среднем наибольшая концентрация Rn характерна для ванных комнат (8,5 кБк/м³); в кухнях она составляет 3,0 кБк/м³, а в жилых комнатах – 0,2 кБк/м³. Основным источником радона в помещениях являются строительные материалы, из которых сооружены здания, в частности бетон, радиоактивность которого меняется в зависимости от страны-изготовителя и способа изготовления.

Следует отметить, что содержание радона в квартирах домов с подвалами выше, чем без них. Максимальные концентрации этого газа во всех зданиях характерны для зимнего периода, что, возможно, связано с меньшим проветриванием помещений.

Установлено, что повышенная концентрация радона вызывает образование злокачественных опухолей органов дыхания. В США подсчитано, что ежегодно в этой стране из-за рассматриваемой причины умирает 20000 человек, а затраты на их лечение составляют около 1 млрд долл. Детальные исследования показали, что средняя доза облучения радоном некоторых жителей США в помещениях в 100 раз превышает среднюю дозу облучения шахтеров в современных урановых рудниках. Учитывая все это, президент Р. Рейган подписал в 1988 г. антирадоновый законодательный акт с показателями требований к качеству воздуха внутри зданий, который "должен быть свободен от радона в такой же степени, как и воздух снаружи".

76

В настоящее время во всех развитых странах действуют ограничения содержания радона в зданиях. В нашей стране норма для существующих домов – 200 Бк/м³, во вновь проектируемых – не более 100 Бк/м³; в Германии это соответственно по 200 Бк/м³, а в США – 150 и 75 Бк/м³.

Таким образом, можно считать, что:

1. Природная радиоактивность до вмешательства человека в природные процессы не оказывала существенного отрицательного влияния на здоровье и безопасность жизнедеятельности подавляющего большинства жителей.
2. По мере усиления антропогенной деятельности, даже далекой от ядерных технологий (использование при строительстве бетона с разными добавками, использование глубинных вод, разработка месторождений нефти, газа, руд и т.п.), стали появляться радиоэкологические проблемы. Часть из них перешла в проблемы безопасности жизнедеятельности, а потом и в экономические.
3. Особая опасность радиоактивного излучения для жизнедеятельности людей состоит в том, что оно не обнаруживается без специальной аппаратуры. Последствия облучения относят к воздействию на человека других природных и техногенных факторов. Разработка месторождений радиоактивных элементов и последующее использование ядерной энергии, даже в мирных целях, может иметь страшнейшие последствия для безопасности жизнедеятельности.

77